含沙水流變化對泵站機組經(jīng)濟運行的影響分析

解雄越

（山西省水利水電勘測設(shè)計研究院 山西太原 030024）

0 引言

隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，能源緊缺的矛盾日益凸顯，能源緊缺問題成為制約我國經(jīng)濟發(fā)展的主要問題之一。目前節(jié)約能源，高效利用已有資源已逐漸成為人們的共識。據(jù)調(diào)查，我國泵類電機的用電量約占電機總用電量的21%[1]，因此泵站運行方式已成為泵站運行重要的技術(shù)指標(biāo)。山西省地處黃河中游，是引黃工程重點建設(shè)的省份之一。為保障山西省轉(zhuǎn)型跨越目標(biāo)的實現(xiàn)，“十二五”期間山西省從黃河干流取水量，由2010年的7.6億m3，增加到了2015年的24億m3[2]，因此建設(shè)長距離高揚程大流量的引黃泵站已經(jīng)是不爭的現(xiàn)實。

然而黃河水泥沙含量高、硬度大，對于泵站的運行效率、輸水能耗等方面都產(chǎn)生較大的影響[3]。由于泥沙的存在導(dǎo)致引黃泵站水泵磨蝕嚴(yán)重，水泵壽命偏低的問題嚴(yán)峻，在多數(shù)引黃泵站的運行中，往往忽視了水中泥沙對泵站運行的影響。而且對于含沙水流條件下的水泵能耗問題也不甚關(guān)注。本文以山西省運城市夾馬口引黃灌溉泵站為例，通過對清水和含沙兩種不同水流條件下泵站單方水耗電量的計算，分析含沙量對水泵機組單方水耗電量的影響。進(jìn)而提出夾馬口泵站經(jīng)濟運行措施，以期對夾馬口泵站的日常運行提供技術(shù)指導(dǎo)，并對類似泥沙泵站的經(jīng)濟運行提供技術(shù)支持。

1 工程概況

1.1 工程簡介

夾馬口引黃工程位于黃河小北干流東岸夾馬口村，地處黃河中游，該工程于1958年動工興建，1960年上水受益，是我國黃河上第一座大型高揚程（70 m）電力提黃工程。夾馬口引黃泵站的設(shè)計揚程為70 m，經(jīng)過多次更新后，現(xiàn)裝機3種型號水泵共12臺，最大提水能力達(dá)到30.5 m3/s，配套動力達(dá)30 880 kW。夾馬口泵站流量大揚程高，前池含沙量大且沙粒硬度高，在國內(nèi)同等規(guī)模的供水工程中具有一定的代表性。

1.2 水泵的基本參數(shù)

夾馬口引黃泵站共有3種型號水泵12臺，本文研究的800S-76型號水泵共7臺，其額定流量為2.5m3/s，揚程為75 m。對應(yīng)的電機型號為Y2240-8型電機，其額定效率為2 240 kW，效率為96.3%。800S-76型號水泵參數(shù)如表1所示。

表1 800S-76型泵的特性曲線

2 數(shù)學(xué)公式的引入

對于供水工程來說，用電量和輸水量是兩大經(jīng)濟指標(biāo)[4]。而單方水耗電量則是將用電量和輸水量綜合考量得出的數(shù)據(jù)，是反映供水工程耗能情況的重要指標(biāo)。因此對于水泵單方水耗電量的計算顯得尤為重要。根據(jù)水泵運行時穩(wěn)態(tài)的計算，可以計算出水泵運行的工作點，再結(jié)合水泵運行時的能量公式，便可求出水泵在工作時的單方水耗電量的理論公式。

水泵的有效功率公式為：

式中，Q（m3/s）為流量，H（m）為揚程。

水泵的軸功率為：

式中，η泵為水泵的效率。

當(dāng)水泵按照一定轉(zhuǎn)速運行時，水泵機組的功率為：

式中，η電機為電動機的效率。

所以，根據(jù)單方水耗電量的定義，即機組運行1 h，輸送一方水的耗電量公式為：

根據(jù)以上推導(dǎo)的水泵單方水耗電量的數(shù)學(xué)模型，只需在求水泵型在穩(wěn)態(tài)條件的流量Q，揚程H，效率η泵，以及對應(yīng)電動機的效率η電機，便可求出水泵在清水條件下的單方水耗電量F。由于夾馬口引黃泵站水泵臺數(shù)較多，所以本文僅選取4#（800S-76型）水泵進(jìn)行計算分析。

3 單方水耗電量分析及經(jīng)濟運行方式

3.1 單方水耗電量的求解

由（4）式可知，只需已知水泵的效率η泵，揚程H，電機的效率η電機等參數(shù)，就可以計算出清水條件下水泵機組運行時的單方水耗電量F。本文假定電機效率η電機不變，故電機效率可直接帶入電機廠家提供的數(shù)據(jù)。水泵在清水中的效率η泵，揚程H，都可以通過穩(wěn)態(tài)計算求得。所以很容易計算出清水條件下4#水泵的單方水耗電量F。

而4#水泵在某一含沙率條件下的單方水耗電量F’，則可根據(jù)夾馬口引黃灌溉泵站提供的水泵運行數(shù)據(jù)算出。相應(yīng)的也可計算出不同含沙量條件下的水泵單方水耗電量F’，分析出不同含沙量條件，對水泵機組單方水耗電量的影響。以上所涉及到的泵站運行數(shù)據(jù)和含沙量數(shù)據(jù)，均取自夾馬口引黃灌溉泵站2015年所測數(shù)據(jù)。

綜上所述，通過計算可分別得出清水條件下和含沙水流條件下的機組單方水耗電量，進(jìn)而計算出抽取含沙水流時水泵機組的單方水耗電量變化率。現(xiàn)以地形揚程為64 m為例進(jìn)行計算，計算結(jié)果如表2所示。

如表2所示，在清水條件下，水泵的單機流量最大，需要揚程最低，效率最高，單方水耗電量最低。隨著含沙量的增大，導(dǎo)致水泵提水時能量損失增大，水泵的需要揚程升高。水泵效率也會隨之下降，經(jīng)計算得出水泵的效率最低下降到61.45%。由（4）式知水泵的單方水耗電量和揚程H和水泵效率η泵有關(guān)。隨著泥沙含量的增加水泵的揚程增大，效率下降，所以水泵的單方水耗電量會隨著泥沙含量的增大而增大。這意味著在一定含沙量范圍內(nèi)，含沙量越大，在抽取相同流量的水時，水泵機組的耗能越大，泵站的運行成本相應(yīng)的就會增多。

3.2 泵站的經(jīng)濟運行方案

由表2中的含沙量和ΔF變化量數(shù)據(jù)可以繪制出含沙量與水泵效率η泵和ΔF變化量關(guān)系曲線，分別如圖1、圖2所示。

表2 含沙水流條件下水泵機組單方水耗電量計算結(jié)果

圖1 含沙量與水泵效率關(guān)系曲線

圖2 含沙量與ΔF變化量的關(guān)系曲線

由圖1含沙量與水泵揚程和效率的關(guān)系曲線可知，隨著含沙量升高，水泵的效率下降。在含沙量為4～4.5 kg/m3時，水泵效率下降最快，這是由于一定含沙量范圍內(nèi)，含沙量越高，泵站的能量損失越大，水泵的磨蝕越嚴(yán)重，導(dǎo)致水泵的效率急劇下降。水泵脫離高效區(qū)運行，嚴(yán)重影響到了泵站的經(jīng)濟運行。從水泵工作效率的角度考慮，此時不建議運行該機組。

由圖2含沙量與ΔF變化量的關(guān)系曲線可知，在含沙量為4～4.5 kg/m3時，圖上曲線斜率最大，這表明水泵的單方水耗電量變化率ΔF上升的最快，單方水耗電量急劇增大，此時水泵機組的效率也偏低。在此含沙量范圍內(nèi)，水泵耗電量增大，成本增加，所以從經(jīng)濟運行的角度考慮，不建議此時運行該機組。

含沙水流條件下，泥沙不僅對水泵工作參數(shù)產(chǎn)生影響，導(dǎo)致水泵效率降低，單方水耗電量增加，還降低了水泵的壽命。泥沙對水泵過流部件，尤其是水泵葉輪的磨蝕尤為嚴(yán)重。夾馬口一級站，由于大量泥沙抽入泵體，造成水泵嚴(yán)重磨損和汽蝕，在汛期水泵連續(xù)運行200 h，葉片邊緣出現(xiàn)很多汽蝕孔洞，葉片磨短50～100 mm[5]。含沙量越大，水泵的磨蝕越嚴(yán)重，水泵壽命越低。頻繁檢修造成的檢修費用過高，不利于泵站的經(jīng)濟運行。所以，從水泵磨蝕的角度分析，在含沙量為4～4.5 kg/m3時亦不建議運行機組。

4 結(jié)論

1）在一定含沙量范圍內(nèi)，水泵的效率隨著含沙量的增大而降低，水泵的單方水耗電量隨著含沙量的增大而增大。

2）通過計算分析得出，含沙量在4～4.5 kg/m3時，4#機組的單方水耗電量急劇增大，效率偏低，水泵磨蝕嚴(yán)重，所以此條件下不建議運行該機組。

3）在含沙水流條件下，可通過將水泵的過流部件噴鍍抗磨蝕材料的方式，以降低水泵的磨蝕。